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介紹一款新型MXene化學(xué)電阻式氣體傳感器

MEMS ? 來源:MEMS ? 2023-03-02 09:46 ? 次閱讀
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高性能室溫新型傳感材料是氣體傳感領(lǐng)域的前沿研究課題之一。MXene是一類新興的二維(2D)過渡金屬碳化物/氮化物,通常通過選擇性蝕刻MAX相中的Al來合成。MXene由于其獨(dú)特的性質(zhì),如表面官能團(tuán)豐富、多功能性、優(yōu)異的溶解性、高金屬導(dǎo)電性和高比表面積,在包括氣體傳感器在內(nèi)的眾多應(yīng)用中顯示出潛力。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,近日,阿拉伯聯(lián)合酋長國大學(xué)(United Arab Emirates University)開發(fā)了一種由碳化釩(V2CTx)MXene衍生的海膽狀五氧化二釩(V2O5)混合材料(V2C/V2O5 MXene)制備的化學(xué)電阻式氣體傳感器,用于室溫下的氣體傳感應(yīng)用。

所制備的傳感器在室溫下用作丙酮檢測的敏感材料時表現(xiàn)出良好的性能。此外,基于V2C/V2O5 MXene的傳感器對15 ppm丙酮的響應(yīng)(S%?=?11.9%)高于原始的多層V2CTx MXene(S%?=?4.6%)。此外,該復(fù)合傳感器在室溫下表現(xiàn)出ppb級(250 ppb)的低檢測限,以及不同干擾氣體之間的高選擇性、快速的響應(yīng)-恢復(fù)時間、振幅波動最小的良好再現(xiàn)性和優(yōu)異的長期穩(wěn)定性。

這些改進(jìn)的傳感特性歸因于多層V2C MXenes中可能形成的氫鍵,新形成的海膽狀V2C/V2O5 MXene傳感器復(fù)合物的協(xié)同效應(yīng),以及V2O5和V2C MXene界面處的高電荷載流子傳輸。

在本研究中,V2CTx MXene通過水熱法合成。V2AlC MAX相材料的表面具有典型的致密顆粒,沒有層狀結(jié)構(gòu),且其表面存在著微小顆粒(1-10 μm)。在用LiF-HCl蝕刻劑進(jìn)行水熱處理之后,形成了具有幾個或多個層的典型手風(fēng)琴狀V2CTx MXene。

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從V2AlC MAX相粉末合成手風(fēng)琴狀V2CTx MXene的過程示意圖

所制備的V2CTx MXene材料在不同溫度下退火以產(chǎn)生MXene衍生的雜化結(jié)構(gòu)。V2CTx MXene樣品在空氣中于300、350和450°C下煅燒,并將這些樣品分別命名為V2C-300、V2C-350和V2C-450。在450°C的退火溫度下,V2C-450 MXene材料的層狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湫偷暮D憼钗⒔Y(jié)構(gòu)。許多刺狀的線和一些微棒連接在一起,形成海膽型或花型形態(tài)。

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在不同溫度下煅燒的V2CTx MXene的SEM圖像:300°C(a)、350°C(b)、450°C(c),和在450°C空氣中退火的V2C MXene衍生的海膽狀V2O5結(jié)構(gòu)的形成示意圖(d)。

研究人員評估了基于原始V2CTx MXene和海膽狀V2CTx/V2O5 MXene的兩種氣體傳感器裝置在室溫(23°C)下的丙酮傳感性能。與傳統(tǒng)的基于金屬氧化物的化學(xué)電阻器相比,MXene表現(xiàn)出正響應(yīng)(電阻增加),這可能是由于其金屬特性。與原始V2CTx MXene相比,海膽狀V2CTx/V2O5 MXene傳感器的振幅顯著增加。當(dāng)丙酮蒸汽濃度從0.25 ppm提高到15 ppm時,V2CTx MXene傳感器的響應(yīng)值也增加。

V2CTx MXene傳感器對15 ppm丙酮蒸汽的響應(yīng)為6.7%(S%),而海膽狀V2CTx/V2O5 MXene傳感器的響應(yīng)為11.9%,對0.25 ppm檢測限的響應(yīng)為4.76%。此外,V2CTx/V2O5 MXene傳感器在不同干擾氣體中表現(xiàn)出對丙酮的高選擇性,并具有快速的響應(yīng)-恢復(fù)時間(115 s/180 s)、優(yōu)異的再現(xiàn)性和長期穩(wěn)定性(21天)。

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基于原始V2CTx MXene和海膽狀V2CTx/V2O5 MXene的氣體傳感器在室溫(23°C)下的丙酮傳感性能。

總而言之,利用一步水熱合成技術(shù)在90°C下成功制備了手風(fēng)琴狀V2CTx MXene。在450°C煅燒溫度下,多層V2CTx MXene部分轉(zhuǎn)變成海膽狀V2O5結(jié)構(gòu)(V2CTx/V2O5 MXene)。研究了這兩種材料的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和表面特性,并評估了這兩種傳感器在室溫下檢測丙酮的效率。

V2CTx MXene的主要金屬特性反映在對丙酮的積極響應(yīng)中。與原始V2CTx MXene傳感器相比,所制備的V2CTx MXene衍生的海膽狀V2CTx/V2O5 MXene混合傳感器在室溫下對15 ppm丙酮顯示出較高的響應(yīng)(S%?=?11.9)。該氣體傳感器在室溫下表現(xiàn)出ppb級的低檢測限(250 ppb),并且具有高選擇性、長期穩(wěn)定性和良好的再現(xiàn)性。






審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:新型MXene化學(xué)電阻式氣體傳感器,在室溫下對丙酮具有高選擇性和ppb級的檢測能力

文章出處:【微信號:MEMSensor,微信公眾號:MEMS】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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